Nowe technologie w wyświetlaczach przemysłowych firmy Litemax

Więcej niż NTSC

Rys. 1. Pokrycie palety barw w standardzie NTSC i w wyświetlaczach wysokiej jakości

Postęp w stopniu pokrycia barw w wyświetlaczach TFT-LCD następował już od lat, a dokładniej odkąd zaczęto zastępować lampy CCFL w podświetleniu LED-ami. Niemniej o szerokiej palecie barw mówi się tak naprawdę dopiero teraz, bo jest to trudne zagadnienie, wymagające pokazania najczęściej na ekranie niższej jakości możliwości lepszego wyświetlacza.

Ludzkie oko jest w stanie rozpoznawać kolory, czyli odróżniać fale elektromagnetyczne o długości z określonego zakresu. Im fala dłuższa, tym bardziej czerwony, a im krótsza, tym kolor bliższy niebieskiemu czy nawet fioletowemu. Jednakże budowa oka jest nieco bardziej skomplikowana i kolorów nie postrzegamy liniowo jednowymiarowo, ale widzimy podobieństwa pomiędzy różnymi barwami.

Wskutek tego tzw. paletę barw rysuje się najczęściej na dwuwymiarowej płaszczyźnie, zazwyczaj oznaczając typowy zakres widzialny. Poszczególnym kolorom odpowiadają zarówno konkretne długości fal, jak i zestawy fal. Dzięki temu możliwe jest mieszanie tzw. barw podstawowych (czerwonego, zielonego i niebieskiego) w celu uzyskania innych kolorów.

Naturalnie, przy emisji np. samego czystego światła zielonego, obraz na ekranie będzie wydawał się intensywnie zielony. Problem jednak w tym, że nie wiadomo, jak intensywnie zielony musi być kolor, by można było go nazwać prawdziwie zielonym.

Aby rozwiązać ten problem, jeden z amerykańskich urzędów opracował na potrzeby tamtejszej telewizji standard NTSC, w którym zawarł m.in. definicję zakresu barw, który powinny być w stanie wyświetlać odbiorniki telewizyjne, by prezentowany przez nie obraz odpowiadał temu, co nadawcy chcieli zaprezentować. Standard ten stał się następnie wyznacznikiem, względem którego porównywane były i są wyświetlacze.

Niestety, klasyczne telewizory i tanie monitory lub wyświetlacze w laptopach bazują na technologiach, w których uzyskanie szerokiej palety barw jest trudne. W wyświetlaczach LCD zależy ona bowiem przede wszystkim od jakości podświetlenia, a dokładniej od jego spektrum.

Sprawa jest prosta - jeśli podświetlenie nie zawiera odpowiednio dużej liczby składowych fal o długości odpowiadającej np. kolorowi zielonemu, kolor ten nie będzie mógł być wystarczająco wiernie zaprezentowany. To samo dotyczy pozostałych barw, ale w przypadku niedrogich ekranów to właśnie zieleń stanowi największy problem.

Sprawa dotyczy nie tylko starych wyświetlaczy ze świetlówkami jako podświetleniem, ale też nowszych matryc z LED-ami. Wynika to ze sposobu tworzenia białego światła podświetlającego.

Z zasad fizyki wynika, że dioda LED nie może świecić od razu światłem białym, gdyż emituje fale monochromatyczne. Biały kolor uzyskuje się na inne sposoby, których wybór decyduje o jakości wyświetlacza i odwzorowywanych barw.

Biały na różne sposoby

Rys. 2. Podświetlenie z użyciem niebieskich LED-ów i warstwy kropek kwantowych za całą powierzchnią wyświetlacza

W przypadku typowych, tanich wyświetlaczy podświetlenie jest realizowane za pomocą niebieskich LED, które pobudzają jasnożółty luminofor. Światło niebieskie wymieszane z jasnożółtym daje białe. W rzeczywistości jednak światło to pozwala jedynie na pokrycie ok. 60-70% palety barw NTSC, gdyż w spektrum bardzo mało jest zieleni i czerwieni.

Dobre wyświetlacze LCD pozwalają uzyskać ponad 80%, a nawet ok. 90% pokrycia wspomnianej już palety barw NTSC. Aktualnie jednak postęp technologiczny pozwala na dalszą poprawę tego wyniku.

Firma Litemax stosuje aktualnie dwie metody. Pierwsza z nich jest bardzo zbliżona do promowanej przez Samsunga technologii Quantum Dot (QD). Polega ona na rezygnacji z jasnożółtego luminoforu i umieszczeniu pomiędzy dyfuzorem a samym panelem LCD warstwy z tzw. kropkami kwantowymi o wielkości pojedynczych nanometrów.

Emitują one światło podobnie jak warstwa luminoforu, ale uzyskiwany kolor jest zależny od wielkości wzbudzanych kropek i w praktyce ma bardzo dobrą charakterystykę - po mniej więcej równo dla barwy czerwonej, zielonej i niebieskiej. Pozwala to uzyskać 97-procentowe odwzorowanie barw NTSC.

Druga metoda polega na pokryciu niebieskich diod LED zielonym i czerwonym luminoforem. Jest to trudniejsze niż zastosowanie jednolitej jasnożółtej warstwy, ale tańsze niż instalacja filtru z kropek kwantowych. I choć rezultaty nie są tak dobre, jak w przypadku technologii QD, to technika ta ma bardzo dobry stosunek jakości do ceny i pozwala tworzyć wyświetlacze o nawet 94-procentowym pokryciu barw NTSC.

Aktualnie Litemax oferuje wyświetlacze z poszerzonym zakresem dostępnych barw w ramach serii MaxRGB. Wśród nich dostępne są zarówno modele z zieloną i czerwoną warstwą luminoforu, jak i z kropkami kwantowymi w postaci jednolitej warstwy pokrywającej cały panel lub umieszczonej na brzegach ekranu, przy źródle światła.

W opracowywanych rozwiązaniach planuje się warstwę kropek kwantowych umieszczać bezpośrednio na LED-ach albo stosować LED-y innych kolorów. W przyszłym roku mają zostać wprowadzone modele z podświetleniem z zielonych i niebieskich diod, które pokryte będą czerwonym luminoforem, a za dwa lata luminofor ma być zupełnie wyeliminowany na rzecz LED RGB. To ostatnie rozwiązanie powinno pozwolić na pokrycie 100% palety barw NTSC i będzie przypominać promowaną przez Sony technologię Triluminos.

Trwałość

Rys. 3. Stosowana przez Litemax technologia podświetlenia z niebieskimi LED-ami i dwukolorową warstwą luminoforu

Od jakości podświetlenia bezpośrednio zależy trwałość wyświetlacza. Wynika to z faktu, że większość usterek polega albo na stopniowym spadku jasności, albo na jego uszkodzeniu. Litemax bada swoje rozwiązania zgodnie z amerykańskim wojskowym standardem MIL-STD-781 i ma na celu sprawdzić, po jakim czasie jasność podświetlenia spadnie poniżej 50% jasności początkowej.

W przypadku wyświetlaczy Litemax Durapixel okres ten wynosi ok. 150 tys. h, przy czym po 100 tys. h jasność maleje jedynie o 18%. Oznacza to, że wyświetlacze Durapixel mogą pracować non stop przez ok. 12 lat, zanim ich jasność zmaleje o 1/5.

Tak dobry wynik udało się uzyskać m.in. poprzez zastosowanie opracowanego przez Litemax specjalnego podłoża dla diod LED. Są one umieszczane na warstwie miedzi, która klejem przewodzącym prąd jest przyklejana do większego aluminiowego paska.

Ten nie tylko stanowi radiator, sprawnie odbierający ciepło z diod, ale też ułatwia jego odprowadzanie przez taśmę termoprzewodzącą do obudowy. W efekcie diody LED pracują w niższej temperaturze niż ze standardowym podłożem, przez co wolniej się zużywają.

Trwałość wyświetlacza zależy także od jego odporności na warunki otoczenia, a w tym przede wszystkim na wysokie temperatury. Nagrzewanie się jest powodowane przez m.in. pobieraną moc, przez światło słoneczne i urządzenia działające w bezpośredniej okolicy. Wzrost temperatury może sięgnąć 100°C.

Klasyczne wyświetlacze przemysłowe (nie mówiąc już o konsumenckich) przestają wtedy pracować. Ciekłe kryształy przechodzą wtedy z tzw. fazy nematycznej do izotropowej, czyli inaczej mówiąc, tracą swoje krystaliczne cechy i stają się zwykłą, niekontrolowalną cieczą. Natomiast poniżej pewnej temperatury (typowo ok. -20°C) kryształy przechodzą do fazy smektycznej i trudno je kontrolować, co zwiększa opóźnienia w zmianie prezentowanych obrazów.

Firma Litemax, by umożliwić wytwarzanym wyświetlaczom pracę w bardzo trudnych warunkach środowiskowych (np. w przemyśle), korzysta z ciekłych kryształów typu High Tni, a więc o wysokim, temperaturowym punkcie przejścia pomiędzy stanem nematycznym a izotropowym. Kryształy te utrzymują się w fazie nematycznej w temperaturze od -30 do +110°C.

Pobór mocy

Rys. 4. Budowa podłoża diod LED podświetlających wyświetlacze Durapixel firmy Litemax

Opracowane przez Litemaxa technologie podświetlenia ekranu mają też duży wpływ na pobieraną moc. Wyświetlacze Litemaxa nie tylko charakteryzują się najczęściej wyższą jasnością, ale też pobierają mniej mocy. Przykładowo 60-calowy Litemax SLD6020 pobiera 490 W, a Sharp LK600D3LB14 potrzebuje 540 W do uzyskania takiej samej jasności 2000 cd/m².

W czasie 10 lat pracy przekłada się to na ok. 2190 zł niższy koszt energii. Różnice pomiędzy mniejszymi wyświetlaczami Litemaxa i konkurencji są analogiczne lub nawet większe ze względu na słabsze podświetlenie produktów marki Mitsubishi, przy czym wartość zaoszczędzonej energii jest mniej więcej proporcjonalna do przekątnej wyświetlacza.

Jednym ze sposobów na ograniczenie poboru mocy jest wykorzystanie techniki lokalnego przyciemniania podświetlenia. Jest to możliwe w przypadku ekranów z diodami umieszczonymi bezpośrednio za całą powierzchnią panelu.

W trakcie odtwarzania materiałów wideo udaje się w ten sposób obniżyć pobór mocy przeciętnie o 20%, a przy okazji zdecydowanie poprawić kontrast pomiędzy najjaśniejszymi a najciemniejszymi obszarami wyświetlacza. Z 6500:1 wzrasta on do 1 000 000:1. Niestety, zastosowanie gęsto rozmieszczonych diod LED pod całą powierzchnią panelu jest dosyć kosztowne i zwiększa jego grubość.

Marcin Karbowniczek
Piotr Ryżyński
Unisystem Sp. z o.o.
www.unisystem.pl